济南大学毕业设计
1 前言
1.1 设计背景与意义
1.1.1 焊接机器人概述
焊接机器人是从事焊接（包括切割与喷涂）的工业机器人。工业机器人是一种多用途的、可重复编程的自动控制操作机，具有三个或更多可编程的轴，用于工业自动化领域。为了适应不同的用途，工业机器人最后一个轴的机械接口，通常是一个连接法兰，可接装不同工具或称末端执行器。焊接机器人就是在工业机器人的末轴法兰装接焊钳或焊（割）枪的，使之能进行焊接，切割或热喷涂。
自从世界上第一台工业机器人UNIMATE于1959年在美国诞生以来，机器人的应用和技术发展经历了三个阶段：示教再现型机器人、具有感知能力的机器人、智能型机器人。
1.1.2 焊接机器人国内外研究现状
（1）国外研究现状
自从世界上第一台工业机器人UNIMATE于1959年在美国诞生以来，机器人在工业发达国家得到了迅速发展。其中日本具有机器人王国之称，此外，世界上还有许多工业发达国家，如美国、前苏联等一些国家的机器人产业也发展得很快。在亚洲，韩国的机器人产业发展也很迅速，现排名世界前列。
现在国外的机器人各个方面的技术发展现状为，在机械结构上以发展关节型机器人为主流，在控制系统方面主要是发展基于PC的开放结构的控制系统，在驱动技术方面主要是发展 AC伺服驱动技术，此外智能化传感器技术的机器人数量呈上升趋势。焊接机器人技术正朝着高速、高精度、多功能化方向发展。
（2）国内研究现状
我国的工业机器人技术经过三十多年的发展，现在已掌握了机器人的设计制造技术、控制系统的硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，开发出了弧焊、点焊、装配等机器人；现阶段我国焊接机器人的应用主要集中在汽车、摩托车、工程机械、铁路机车等主要行业。其中弧焊机器人已广泛应用于各大汽车制造厂的自动焊装线上。但从总体上来看，我国的工业机器人技术及其工程上的应用水平和国外相比起来还有一定的差距。
现阶段我国工业机器人技术主题发展战略目标是：根据2l世纪初，我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求，瞄准国际前沿高新技术发展方向，创新性地进行研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、关键技术，产品技术和系统技术。
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1.1.3 焊接机器人研究意义
(1)提高和稳定焊接质量，保证其焊缝均一性。 (2) 改善了劳动条件，减少工人劳动强度。 (3) 提高劳动生产率，提高经济效益。 (4) 产品周期明确，容易控制产品产量。
(5) 缩短产品改型换代的周期，减小相应的设备投资。
1.2 设计内容
本设计是六自由度焊接机器人设计，所以需要设计六部电机来驱动。本设计的主要内容包括焊接机器人本体设计和和控制系统设计。
（1）焊接机器人本体设计
焊接机器人的机械部分是整个机器人的执行机构，机构型式的好坏，将直接影响到整个系统的好坏。所以，机构的设计是非常重要。在本设计机构中，主要包括运动副型式的合理选择，驱动的最佳速比等。本设计还需要设计六部电机的安装位置、尺寸大小，连杆的设计，机械手等各个关节的设计。
（2）焊接机器人控制系统设计
首先选择合适的控制系统，绘制出控制系统结构框图，然后选择合适的运动控制器、驱动器、伺服电机型号来搭建控制系统硬件平台。
1.3 设计方案
（1）焊接机器人机械本体总体布局
总体布局就是解决装置各个部件间的相对运动和相对位置，并使机器人有一个协调完美的造型。总体布局要通过联系尺寸来体现，联系尺寸同时也是结构设计的关键。初步确定的联系尺寸是个部件的设计依据，并通过部件的设计，此外还应对联系尺寸进行必要的修改，最后确定总体装配图。
（2）总体方案设计
总体方案主要包括：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、控制系统的选择等内容。
系统运动方式的确定：焊接机器人按运动方式已由题目确定好了，选用六轴联动式关节型。
伺服系统的选择：旋转、摆动机构采用交流伺服系统。电动机类型选用交流伺服电机，交流伺服电机具备很多十分优良的性能，例如低速性能，调速范围宽广、动态特性和效率都很高。
控制系统硬件设计：根据系统要求确定系统电气控制的结构图，选择电气元器件的参数和型号，绘制电气原理图。
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2 焊接机器人本体设计
本次毕业设计目的是为了设计一台六自由度焊接机器人，在设计的过程中参考了机械工程学院机器人实验室的首钢motoman机器人。本次设计参数的采用也参考了其相关的参数。机器人本体设计包括主要基座、大臂、小臂、手腕、机械手以及各关节伺服电机的安装位置、尺寸大小，还包括齿轮副的安装位置、尺寸，阶梯轴、平键的选择等设计。
在进行本体设计的过程中要考虑到机器人的工作要求，例如所能达到的最大工作范围、运动精度要求、负荷能力等。
2.1 机器人设计参数
焊接机器人主要的参数包括控制轴的数量、负载能力、重复精度、最大动作范围、最大速度及功率。其主要设计参数和使用条件如表2.1所示：
焊接机器人设计参数表2.1
控制轴 负荷能力 重复精度 最大动作范围 S（本体回转） L（下臂前后摆动） U（上臂上下摆动） R（上臂回转） B（手腕上下摆动） T（手腕回转） 最大速度 周围条件 工作范围 功率 温度 湿度 振动 6 6kg 0.08mm +170° +155° -90° +190° -170° ±180o +225o -45° ±360° 0-45° 20%-80% 4.9m/S2 最小387mm 最大1378mm 1.5kw 9000cm/min 线速度 1.5m/s
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2.2 自由度与关节
该焊接机器人采用关节型的机器人，具有六个自由度，即为二个腰关节、一个肩关节、一个肘关节、还有二个腕关节。这些关节都为转动关节，在机器人本体末端还有一个用于加持物体的机械手。机器人本体的整体布局如图2所示。该整体布局图大致反映了机器人的外形。
图2.1 机器人本体整体布局图
2.2.1 基座的设计
（1）基座是整个机器人本体的支持，为了保证机器人的稳定性，基座设计如图2.2所示：
图2.2 焊接机器人基座
此基座为带有转盘的基座，由于基座承受压力，为了充分利用材料的特性，选择使用铸铁材料来制造基座，这样可以利用铸铁材料的吸振性，提高机器人的振动稳定性。转盘上装有伺服电机，电机通过齿轮副传动，带动本体实线旋转运动，即S关节，旋转角度+170°。在转盘上装有齿轮副架，实现齿轮副的合理安装，这样设计既可以节约空间，又可以实现传到的要求。
基座上还设计有接线盒子，所有的电机驱动信号和反馈信号都是从这个接线盒子中输入输出。
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2.2.2 下臂关节的设计
下臂关节即为L关节，主要是实现机器人的前后摆动，下臂关节的摆动的幅度为+155° -90°，下臂关节电机的安装位置和传动方式设计如图2.3所示。
图2.3 下臂关节设计
如图所示，伺服电机安装在齿轮副架上，齿轮副架通过螺钉连接安装在机器人腰关节支持连杆上。通过齿轮副传动，把扭矩传递到轴上，从而带动下臂实现前后摆动。 2.2.3 上臂摆动关节的设计
上臂摆动关节即为U关节，主要是为了实现机器人上臂的上下摆动而设计的。上臂关节的摆动幅度为+190°-170°，下臂关节电机位置和传动方式设计如图2.4所示。
图2.4 上臂关节设计
如图所示，伺服电机安装在齿轮副架上，齿轮副通过螺钉连接安装在下臂连杆末端。通过齿轮副传动，把扭矩传递到上臂上，从而实现上臂的上下摆动。 2.2.4 上臂回转关节的设计
上臂回转关节即为R关节，主要是为了实现上臂的回转运动而设计的，上臂的回转角度为±180o。大臂回转关节电机的安装位置和传动方式如图3.5所示。
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六自由度焊接机器人设计论文-毕设论文
